浅议半导体器件芯片焊接失效模式的原因及其解决方法

力失效
　　这是一种由机械应力导致的失效。由于其失效的最终表现形式往往是焊接面裂纹或芯片剥裂，因而在这里把它归结为微焊接失效模式之一来加以讨论。微电子器件的焊接界面是由性能各异的一些材料组成，如Si、SiO 2、BeO、Al2O3、WCu等。这些材料的线热膨胀系数各不相同，如常用作底座的WCu其膨胀系数比Si晶体几乎大4倍。当它们结合在一起时，不同的材料界面间会存在压缩或拉伸应力。微波功率器件在工作期间往往要经受热循环，由于芯片和封装体的热膨胀系数不同，在热循环过程中焊接面间产生周期性的剪切应力，这些应力将可能聚集在空洞的位置上使焊料形成裂纹甚至使硅片龟裂，最终导致器件因热疲劳而失效。
　　在芯片与管壳之间的焊层中，最大的热剪切力形变可估计为:S=DΔαΔT/2d,　公式中，D为芯片对角线尺寸;d为焊层厚度;ΔT=Tmax-Tmin，Tmax为焊料凝固线温度，Tmin为器件筛选中的最低温度;Δα为芯片与基片材料的热膨胀系数之差。
　　从上式可以看到，热形变直接与芯片大小成正比，芯片尺寸越大，焊接后其在温循中要承受的剪切力也就越大。从这个角度讲，大功率器件采用小芯片多胞合成是十分必要的。在焊接中，必须充分考虑到芯片与基片的热匹配情况，在硅器件中若使用热膨胀系数同硅非常相近的陶瓷基片(如AlN)，将大大降低热应力，可用于大芯片装配。
　　3、焊接质量的三种检验方法
　　3.1 剪切力测量
　　这是检验芯片与基片间焊接质量最常用和直观的方法。图3是用来检测芯片焊接的GJB548A -96的最小剪切力与芯片面积的关系。在焊接良好的情况下，即使芯片推碎了，焊接处仍然留有很大的芯片残留痕迹。一般焊接空洞处不粘附芯片衬底材料，芯片推掉后可直接观察到空洞的大小和密度。图4是某器件芯片推掉后观察到的焊接空洞照片。用树脂粘贴法粘贴的器件，若要在较高、较低温度下长期工作,应测不同温度下的剪切力强度。
　　3.2 电性能测试
　　对于芯片与基片或底座导电性连接(如共晶焊、导电胶粘贴)的双极器件，其焊接(粘贴)质量的好坏直接影响器件的热阻和饱和压降 Vces，所以对晶体管之类的器件可以通过测量器件的 Vces来无损地检验芯片的焊接质量。在保证芯片电性能良好的情况下，如果Vces过大，则可能是芯片虚焊或有较大的“空洞”。此种方法可用于批量生产的在线测试。
　　3.3 超声波检测
　　超声波检测方法的理论依据是不同介质的界面具有不同的声学性质，反射超声波的能力也不同。当超声波遇到缺陷时，会反射回来产生投射面积和缺陷相近的“阴影”。对于采用多层金属陶瓷封装的器件，往往需对封装体进行背面减薄后再进行检测。同时，由于热应力而造成的焊接失效，用一般的测试和检测手段很难发现，必须要对器件施加高应力，通常是经老化后缺陷被激活，即器件失效后才能被发现。图5是某失效器件经背面减薄后的声扫照片，黑色圈内部分为焊接缺陷。借助超声波能够精确地检测出焊接区域内缺陷的位置和大小。
　　4、焊接不良原因及相应措施
　　4.1 芯片背面氧化
　　器件生产过程中，焊接前往往先在芯片背面蒸金。在Au-Si共晶温度下，Si会穿透金层而氧化生成SiO 2，这层SiO2会使焊接浸润不均匀，导致焊接强度下降。即使在室温下，硅原子也会通过晶粒间的互扩散缓慢移动到金层表面。因此，在焊接时保护气体N2必须保证足够的流量，最好加入部分H 2进行还原。芯片的保存也应引起足够的重视，不仅要关注环境的温湿度，还应考虑到其将来的可焊性，对于长期不用的芯片应放置在氮气柜中保存。
　　4.2 焊接温度过低
　　虽然Au-Si共晶点是370℃，但是热量在传递过程中要有所损失，因而应选择略高一些，但也不可太高，以免造成管壳表面氧化。焊接温度也要根据管壳的材料、大小、热容量的不同进行相应调整。为保证焊接质量，应定期用表面温度计测量加热基座的表面温度，必要时监测焊接面的温度。
　　4.3 焊接时压力太小或不均匀
　　焊接时应在芯片上施加一定的压力。压力太小或不均匀会使芯片与基片之间产生空隙或虚焊。因此焊接时压力的调整是很重要的，要根据芯片的材料、厚度、大小的综合情况进行调整，在实践中有针对性地积累数据，才能得到理想的焊接效果。
　　4.4 基片清洁度差
　　基片被沾污、有局部油渍或氧化会严重影响焊接面的浸润性。这种沾污在焊接过程中是较容易观察到的，这时必须对基片进行再处理。
　　4.5 热应力过大
　　热应力引起的失效是个缓慢的渐变过程，它不易察觉，但危害极大。通常芯片厚度越大应力相应越小。因此芯片不应过薄。另外如果基片或底座与芯片热性能不匹配，也会造成很大的机械应